CN113791660B - 芯片的温度梯度补偿电路及补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及芯片的温度梯度补偿电路及补偿方法，补偿电路包括用于将温度信号转换为电信号的第一温度检测模块和第二温度检测模块；第一温度检测模块设置于芯片中的主要热源；第二温度检测模块设置于芯片中的次要热源；第一温度检测模块的输出端连接温度梯度信号处理电路的第一输入端；第二温度检测模块的输出端连接温度梯度信号处理电路的第二输入端；温度梯度信号处理电路的输出端连接检测电路，将带有温度梯度信息的电信号输入至检测电路。本发明通过分别检测芯片的主要热源和次要热源的温度，并且获得两个位置的温度梯度信息，对芯片输出级的电流的检测结果进行补偿，可以使得电流的检测排除温度的影响，增加检测的精确度。

Description

芯片的温度梯度补偿电路及补偿方法

技术领域

本发明涉及电源温度补偿，具体涉及一种芯片的温度梯度补偿电路及补偿方法。

背景技术

SPS(Smart Power System)电源应用于服务器级的系统，在服务器这样的高功率应用场景中，需要对输出级的电流大小进行高精度实时检测(误差≤±5％)。图1是现有技术的示意图。如图1所示，控制芯片MPC(Multi-Phase Controller，多阶段控制器)通过输出PWM信号控制SPS芯片中驱动电路(Driver&controller，驱动控制器)，进而控制HS FET(High Side FET，高侧场效应管)和LS FET(Low Side FET，低侧场效应管)的开和关。SPS芯片向控制芯片MPC输出电感电流信号imon，控制芯片MPC根据电感电流信号imon来产生PWM信号，完成整个服务器电源系统环路控制。

在对输出级的电感电流进行检测的时候，各种因素都将影响检测精度，其中环境温度是无法忽略的一项，因此需要对检测结果进行温度补偿。传统的设计中，温度补偿电路主要针对环境温度的变化进行补偿，即当系统负载增大，功耗增大，环境温度升高，系统状态也将发生变化，此时就需要对检测进行补偿。这样的补偿对系统整体是有效的，但在系统内部，芯片热源位置和远离热源的位置存在温度差，在SPS电源的应用场景中，这个温度差将会影响电流检测的精度，传统的温度补偿方式无法解决这一问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明公开了一种芯片的温度梯度补偿电路及补偿方法，以解决芯片内部温度梯度影响输出级电流检测效率的问题。

本发明所采用的技术方案如下：

一种芯片的温度梯度补偿电路，包括用于将温度信号转换为电信号的第一温度检测模块和第二温度检测模块；第一温度检测模块设置于芯片中的主要热源；第二温度检测模块设置于芯片中的次要热源；第一温度检测模块的输出端连接温度梯度信号处理电路的第一输入端；第二温度检测模块的输出端连接温度梯度信号处理电路的第二输入端；温度梯度信号处理电路的输出端连接检测电路，将带有温度梯度信息的电信号输入至检测电路。

其进一步的技术方案为：第一温度检测模块包括至少一个温度检测电路。

其进一步的技术方案为：一温度检测模块包括多个温度检测电路；多个温度检测电路的输出端连接第一运算电路的输入端；第一运算电路的输出端连接温度梯度信号处理电路的第一输入端。

其进一步的技术方案为：第二温度检测模块包括至少一个温度检测电路。

其进一步的技术方案为：第二温度检测模块包括多个温度检测电路；多个温度检测电路的输出端连接第二运算电路的输入端；第二运算电路的输出端连接温度梯度信号处理电路的第二输入端。

一种根据如上任一项所述的芯片的温度梯度补偿电路，所述芯片为SPS芯片；SPS芯片包括功率管、驱动电路和电感电流检测电路；SPS芯片的主要热源为功率管的位置；SPS芯片的次要热源为驱动电路的位置；温度梯度信号处理电路的输出端连接至电感电流检测电路。

一种芯片的温度梯度补偿方法，包括以下步骤：

获得芯片中主要热源的第一温度信号，并将第一温度信号转换为第一电信号；

获得芯片中次要热源的第二温度信号，并将第二温度信号转换为第二电信号；

根据第一电信号和第二电信号计算带有温度梯度信息的第三电信号；

根据包括有温度梯度信息的第三电信号调整检测电路所输出的电信号的大小。

其进一步的技术方案为：

获得芯片中主要热源的多个检测点的多个第一温度信号，并将多个第一温度信号分别转换为多个第一分电信号；

获得芯片中远离热源的多个检测点的多个第二温度信号，并将多个第二温度信号分别转换为多个第二分电信号；

将多个第一分电信号进行运算得到包括多个第一分电信号的信息的第一电信号；将多个第二分电信号进行运算得到包括多个第二分电信号的信息的第二电信号；

根据第一电信号和第二电信号计算带有温度梯度信息的第三电信号。

其进一步的技术方案为：第一电信号为多个第一分电信号的平均值；第二电信号为多个第二分电信号的平均值。

根据如上任一项所述的芯片的温度梯度补偿方法，第三电信号S3为:

S3＝a(S1-S2)

其中，a为与芯片布局有关的温度梯度系数；S1为第一电信号；S2为第二电信号。

本发明的有益效果如下：

本发明涉及芯片的温度梯度补偿方法和补偿方法，尤其是在SPS芯片中，通过分别检测SPS芯片的主要热源和次要热源的温度，并且获得两个位置的温度梯度信息，对SPS芯片输出级的电感电流的检测结果进行补偿，可以使得电感电流的检测排除温度的影响，增加检测的精确度。而且，本发明所述的方案还能够使得电感电流检测电路能够自适应外部工作环境温度的变化，由于外部环境温度的变化最终也会体现在芯片内的驱动电路和功率管的温度上，所以即使外部环境温度变化，芯片仍可以正常工作，所以，本发明综合解决了外部工作环境温度和芯片内部结构的温度差对输出级电感电流的检测结果的精确度的影响，增加了整个电源系统的工作效率。

本发明还可以扩展到其他具有多个热源结构的其他芯片中，适用范围广。

附图说明

图1为本发明的现有技术的示意图。

图2为本发明的实施例中的芯片温度分布示意图。

图3为本发明的补偿电路的一个实施例的的结构框图。

图4为本发明的补偿电路的另一个实施例的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

在本发明中，以SPS芯片为例，但是可以知道，当涉及其他功能的芯片的时候，本发明所述的电路和方法也是适用的。

在服务器这类大功率应用中，SPS芯片工作时会产生较大的功耗，这部分功耗将通过热能的方式体现。又由于SPS芯片本身是多种材料的结合体，且SPS芯片内部，功率管和驱动电路之间存在空间距离，因此实际上驱动电路和功率管之间是存在温度差的。图2为本发明的实施例中的芯片温度分布示意图。如图2所示，在本实施例中，SPS芯片由两个功率管和驱动电路构成。在SPS芯片工作时，功率管为主要热源，驱动电路为次要热源，因此SPS芯片上将会形成温度梯度，温度分布大致如图中扇形所示，顶点所在的区域为SPS芯片温度最高的区域，沿半径向外温度逐渐减小。使用其他布局方式的芯片的温度分布方式可根据几何计算并配合实际的检测实验得到。

图3为本发明的补偿电路的一个实施例的的结构框图。如图3所示，芯片温度的检测补偿电路包括第一温度检测模块CP和第二温度检测模块SP。第一温度检测模块CP设置于芯片的主要热源处。第二温度检测模块SP设置于芯片的次要热源处。第一温度检测模块CP和第二温度检测模块SP用于将温度信号转换为电信号，一般为电压信号。第一温度检测模块CP的输出端连接温度梯度信号处理电路的第一输入端。第二温度检测模块SP的输出端连接温度梯度信号处理电路的第二输入端。温度梯度信号处理电路的输出端连接检测电路的输入端。温度梯度信号处理电路将电压号转换为与温度梯度系数相关的电信号，一般是电流信号，以调整检测电路输出的电信号的大小。

优选的，第一温度检测模块CP包括至少一个温度检测电路。

优选的，第二温度检测模块SP包括至少一个温度检测电路。

可以根据实际应用和需要调整第一温度检测模块CP和第二温度检测模块SP中的温度检测电路中的数量。当设置有多个温度检测电路时，可以将温度检测电路多点分布，例如围绕主要热源平均等距分布等形式，以便取得更加精确的检测结果。

当设置有多个温度检测电路时，在温度检测模块后连接运算电路以对多个温度检测电路所输出的电信号进行计算和处理。图4为本发明的补偿电路的另一个实施例的结构框图。如图4所示，第一温度检测模块CP设置于芯片的主要热源处。第二温度检测模块SP设置于芯片的次要热源处。第一温度检测模块CP包括n个温度检测电路CP1、CP2、...、CPn。第二温度检测模块SP包括m个温度检测电路SP1、SP2、...、SPm，m、n为自然数。第一温度检测模块CP和第二温度检测模块SP用于将温度信号转换为电信号，一般为电压信号。第一温度检测模块CP的输出端连接第一运算电路C1的输入端。第一运算电路C1对n个温度检测电路CP1、CP2、...、CPn所输出的电信号进行计算。第一运算电路C1的输出端连接温度梯度信号处理电路的第一输入端。第二温度检测模块SP的输出端连接第二运算电路C2的输入端。第二运算电路C2对m个温度检测电路SP1、SP2、...、SPm所输出的电信号进行计算。第二运算电路C2的输出端连接温度梯度信号处理电路的第二输入端。温度梯度信号处理电路的输出端连接检测电路的输入端。

当多个温度检测电路围绕主要热源以及次要热源平均等距分布时，第一运算电路C1和第二运算电路C2一般是对输入信号取平均值。

当芯片温度的检测补偿电路中的芯片为SPS芯片时，具体的，SPS芯片的主要热源为功率管的位置，当有两个功率管时，主要热源的位置可根据测量计算配合实际检测来标定，例如可以是两个功率管的几何中心位置。SPS芯片的次要热源为驱动电路的位置，温度梯度信号处理电路的输出端连接至电感电流检测电路，温度梯度信号处理电路输出电流，以调整电感电流检测电路所输出的电流的大小，达到温度补偿的目的。

本发明还公开了芯片温度的检测补偿方法，包括以下步骤：

步骤1、获得芯片中主要热源的第一温度信号，并将第一温度信号转换为第一电信号S1；

步骤2、获得芯片中次要热源的第二温度信号，并将第二温度信号转换为第二电信号S1；

步骤3、根据第一电信号S1和第二电信号S2计算带有温度梯度信息的第三电信号S2；

步骤4、根据包括有温度梯度信息的第三电信号S2调整检测电路所输出的电信号的大小。

进一步的，为了获得更加精确的检测和补偿效果，优选的：

在步骤1中，获得芯片中主要热源的多个检测点的多个第一温度信号，并将多个第一温度信号分别转换为多个第一分电信号；

在步骤2中，获得芯片中远离热源的多个检测点的多个第二温度信号，并将多个第二温度信号分别转换为多个第二分电信号；

将多个第一分电信号进行运算得到包括多个第一分电信号的信息的第一电信号S1；将多个第二分电信号进行运算得到包括多个第二分电信号的信息的第二电信号S2；例如，第一电信号S1为多个第一分电信号的平均值；第二电信号S2为多个第二分电信号的平均值。

之后进行步骤3，根据第一电信号S1和第二电信号S2计算带有温度梯度信息的第三电信号S3。具体的，第三电信号S3为:

S3＝a(S1-S2)

其中，a为与芯片布局有关的温度梯度系数；S1为第一电信号；S2为第二电信号。温度梯度系数a的计算是领域内的技术人员可以根据基础的数学知识配合特定芯片布局的实验来计算和标定的。例如，对于实施例中这样热源位置较为简单的芯片布局来说，由于芯片是布局在平面的，可以将芯片所在的平面看做一个二维坐标平面，温度值可以理解为和位置坐标有关系的二维坐标平面的离散函数，其梯度数据即为离散函数的求导，而中值差分法也是离散函数求导的一个方法。所以，可以理解，S3＝a(S1-S2)是计算第三电信号S3的一种方法，在芯片布局非常理想的条件下,系数a的值为2。对于芯片布局较为复杂的情况，第三电信号的计算方法也是可以理解的，例如可以在初次实验的时候，测量芯片的多个热源位置的温度值，则多个热源位置的温度值可视为一个二维坐标平面的离散函数，其梯度数据即为离散函数的求导，在具体的实施过程中也可以使用其他计算离散函数梯度的方法。

最后进行步骤4，根据包括有温度梯度信息的第三电信号S3调整检测电路所输出的电流信号的大小，以达到温度补偿的目的。

上文的芯片温度的检测补偿方法应用于SPS芯片时，SPS芯片的主要热源是功率管的位置，次要热源是驱动电路的位置。最后根据第三电信号调整SPS芯片输出级的电感电流检测电路所输出的电流大小，以达到温度补偿的目的。

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在不违背本发明的基本结构的情况下，本发明可以作任何形式的修改。

Claims (10)

1.一种芯片的温度梯度补偿电路，其特征在于：包括用于将温度信号转换为电信号的第一温度检测模块和第二温度检测模块；第一温度检测模块设置于芯片中的主要热源；第二温度检测模块设置于芯片中的次要热源；第一温度检测模块的输出端连接温度梯度信号处理电路的第一输入端；第二温度检测模块的输出端连接温度梯度信号处理电路的第二输入端；温度梯度信号处理电路的输出端连接检测电路，将带有温度梯度信息的电信号输入至检测电路；

温度梯度分布为从芯片温度最高的区域，沿半径向外温度逐渐减小；

芯片是布局在平面的，将芯片所在的平面看做一个二维坐标平面，温度值是和位置坐标有关系的二维坐标平面的离散函数，其梯度数据即为离散函数的求导；

功率管为主要热源，驱动电路为次要热源。

2.根据权利要求1所述的芯片的温度梯度补偿电路，其特征在于：第一温度检测模块包括至少一个温度检测电路。

3.根据权利要求2所述的芯片的温度梯度补偿电路，其特征在于：第一温度检测模块包括多个温度检测电路；多个温度检测电路的输出端连接第一运算电路的输入端；第一运算电路的输出端连接温度梯度信号处理电路的第一输入端。

4.根据权利要求1所述的芯片的温度梯度补偿电路，其特征在于：第二温度检测模块包括至少一个温度检测电路。

5.根据权利要求4所述的芯片的温度梯度补偿电路，其特征在于：第二温度检测模块包括多个温度检测电路；多个温度检测电路的输出端连接第二运算电路的输入端；第二运算电路的输出端连接温度梯度信号处理电路的第二输入端。

6.一种根据权利要求1～5任一项所述的芯片的温度梯度补偿电路，其特征在于：所述芯片为SPS芯片；SPS芯片包括功率管、驱动电路和电感电流检测电路；SPS芯片的主要热源为功率管的位置；当有两个功率管时，主要热源的位置根据测量计算配合实际检测来标定；SPS芯片的次要热源为驱动电路的位置；温度梯度信号处理电路的输出端连接至电感电流检测电路。

7.一种芯片的温度梯度补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

获得芯片中主要热源的第一温度信号，并将第一温度信号转换为第一电信号；

获得芯片中次要热源的第二温度信号，并将第二温度信号转换为第二电信号；

根据第一电信号和第二电信号计算带有温度梯度信息的第三电信号；

根据包括有温度梯度信息的第三电信号调整检测电路所输出的电信号的大小；

温度梯度分布为从芯片温度最高的区域，沿半径向外温度逐渐减小；

芯片是布局在平面的，将芯片所在的平面看做一个二维坐标平面，温度值是和位置坐标有关系的二维坐标平面的离散函数，其梯度数据即为离散函数的求导；

功率管为主要热源，驱动电路为次要热源。

8.根据权利要求7所述的芯片的温度梯度补偿方法，其特征在于：

获得芯片中主要热源的多个检测点的多个第一温度信号，并将多个第一温度信号分别转换为多个第一分电信号；

获得芯片中远离热源的多个检测点的多个第二温度信号，并将多个第二温度信号分别转换为多个第二分电信号；

将多个第一分电信号进行运算得到包括多个第一分电信号的信息的第一电信号；将多个第二分电信号进行运算得到包括多个第二分电信号的信息的第二电信号；

根据第一电信号和第二电信号计算带有温度梯度信息的第三电信号。

9.根据权利要求8所述的芯片的温度梯度补偿方法，其特征在于：第一电信号为多个第一分电信号的平均值；第二电信号为多个第二分电信号的平均值。

10.根据权利要求7～9任一项所述的芯片的温度梯度补偿方法，其特征在于：第三电信号S3为:

S3＝a(S1-S2)

其中，a为与芯片布局有关的温度梯度系数；S1为第一电信号；S2为第二电信号。

Images